AhmadDahlan.NET – Fisika Kuantum adalah studi tentang hubungan antara materi dan energi pada level partikel. Energi dikaji dalam bentuk paket-paket energi kecil (quanta) yang sifatnya diskrit. Tujuannya untuk mengungkap karakteristik dan perilaku dari partikel-partikel yang ada di alam yang tidak dapat dikaji dengan hukum-hukum pada fisika klasik.
Meskipun eksperimen-eksperimen fisika kuantum dilakukan untuk mempelajari objek-objek dengan ukuran yang sangat kecil seperti elektron dan foton namun fenomena kuantum sebenarnya selalu ada di sekitar kita bahkan dengan ukuran yang lebih besar dari elektron dan foton. Hanya saja lebih sulit untuk mendeteksi fenomena kuantum secara pasti pada objek-objek yang lebih besar.
Penemuan-Penemuan mengenai hukum dan teori muantum, saat ini sudah diterapkan dalam banyak bidang ilmu seperti kimia, biologi sampai astronomi. Fisika Kuantum berangkat dari kajian-kajian partikel elementer yang skala lebih kecil dari nano sampai ke langit yang maha besar. Kuantum mengantar kita pada teori-teori yang membahas asal-usul alam semesta, ruang, waktu, materi, benda gelap, energi dan energi gelap.
Tidak hanya pada tataran teori, implikasi dari hukum dan teori-teori kuantum sudah diaplikasikan dalam banyak teknologi yang digunakan oleh manusia seperti televisi warna, kamera, laser, transistor dan upaya dalam pengembangan kuantum komputer. Penelitian tentang kuantum belakangan ini banyak berpusat pada gravitasi dan hubungan terhadap ruang dan waktu, sebagaimana penyimpangan-penyimpangan yang terjadi pada lubang hitam sampai pada teori singularitas ruang dan waktu di daerah lubang cacing, di mana ruang tiga dimensi tidak lagi kokoh bahkan eksis dan waktu mungkin saja tidak berjalan sebagaimana yang kita amati saat ini.
Daftar Isi
Kelahiran Fisika Kuantum
Fisika Kuantum lahir di akhir tahun 1800-an sampai awal-awal tahun 1900-an. Tidak ada hal khusus yang menandai kelahiran fisika kuantum karena penelitian-penelitian fisika pada akhir abad 19 masih banyak dipengaruhi oleh Hukum-Hukum Newton dan Persamaan Gelombang Maxwell. Pada intinya, Kuantum lahir untuk menjawab banyak pengamatan mengenai partikel-partikel kecil seperti atom, elektron, atau foton yang tidak bisa dijawab dengan hukum-hukum Newton dan Maxwell.
Diantara banyak penemuan yang menyimpang dari hukum Newton dan Maxwell, penemuan tentang energi bisa dipandang tidak dalam bentuk kontinue membuat hubungan antara massa dan energi semakin jelas. Energi yang dulu dianggap kontinu, dalam fisika kuantum dipandang bisa berpindah dalam bentuk paket-paket energi yang diskrit yang selanjutnya disebut sebagai Quanta. Setiap energi memiliki quanta-quanta mereka sendiri.
Cahaya misalnya, Paket-paket energi dari cahaya dengan frekuensi tetap memiliki quanta yang disebut Foton. Setiap foton pada frekuensi yang sama akan memiliki jumlah energi yang sama pula. Energi dari foton ini tidak bisa lagi dipecah ke paket energi yang lebih kecil. Quanta sendiri diadopsi dari bahasa latin yakni Quantum yang secara harfiah berarti “Seberapa banyak”.
Fisika Kuantum mengubah interpretasi kita terhadap model konseptual dari atom seperti yang diajukan Rutherford dimana atom terdiri dari Inti yang dikelilingi oleh elektron. Rutherford sendiri mengajukan model gaya-gaya Newton yang bertanggung jawab menjaga elektron tetap berada pada orbitnya sebagaimana planet mengitari tata surya dan satelit yang mengitari planet.
Dalam dunia kuantum, Elektron dianggap mengitari inti dalam orbit-orbit dengan tingkatan energi tertentu. Posisi elektron ini tidak bisa diketahui secara pasti, namun pemodelan matematis dapat menentukan posisi tersebut. Hanya saja, posisi elektron mengitari inti dalam bentuk kemungkinan (probabilitas) dan tidak menunutup kemungkinan sebuah elektron dapat ditemukan di dua orbit yang berbeda dalam waktu bersamaan.
Elektron mengorbit tidaklah analog dengan gaya gravitasi Newton tapi menempati orbit-orbit dengan tingkat energi tertentu. Untuk berpidanh dari satu tingkat orbit, elektron membutuhkan energi sejumlah tingkat energi pada orbit berikutnya dan begitu sebaliknya namun elektron tidak bisa berada diantara kedua tingkat energi tersebut. Dengan kata lain, tingkat energi ini bukanlah hal yang bersifat kontinu.
Konsep Lahirnya Kuantum
Ada beberapa hal yang membuat Fisika Kuantum terpaksa lahir dan mengakhiri superioritas dari Hukum Newton dan Persamaan Maxwell dalam membahas fenomena fisika seperti :
- Dualisme Partikel – Teori ini diawali oleh kesimpulan Einstein setelah melakukan percobaan ulang foto listrik Frank Herzt. Einstein berkesimpulan bahwa momentumlah yang membuat elektron terlecut pada logam cesium ketika di terpa cahaya dengan frekuensi tertentu sehingga Intensitas bukan satu-satunya faktor yang menentukan banyak elektron yang terlecut. Dengan demikian Cahaya dianggap bisa berperilaku sebagai gelombang dan partikel secara terpisah. Hal ini tergantung dari bagaiman Cahaya ditinjau dan di ukur. Sama halnya Cahaya, Partikel dengan syarat tertentu juga dapat ditinjau sebagai Partikel dan Gelombang
- Superposisi – Prinsip superposisi yang dianalisi melalui fisika statistik yang memungkinkan sebuah objek dapat ditinjau dari banyak bentuk, (gelombang, massa, energi dan sebagai) dalam waktu yang bersamaan
- Prinsip Ketidakpastian – Prinsip ini adalah konsep matematikan yang memperbolehkan pertukuran kerangka acuan yang digunakan fisika untuk menjelaskan posisi dan kecepatan sebuah benda. Kecepatan dan posisi sebuah benda tidak dapat diketahui dengan tepat secara bersamaan. Milsakan saja kita mengukur posisi elektron secara tepat maka kita tidak akan bisa mengukur kecepatannya secara tepat dan begitu pula sebaliknya.
- Keterikatan – Konsep ini menjelaskan tentang hubungan antara dua buah objek atau lebih sehingga daapat dianggap sebagai sebuah sistem, sekalipun ke dua objek berjauh. Keadaan fisis dari sebuah objek dalam sebuah sistem tidak bisa sepenuhnya dijelaskan tanpa adanya informasi dari keadaan objek lain. Dengan demikian pada saat kita mempelajari informasi sebuah objek secara otomatis kita akan mendapatkan informasi tentang objek lain dan sebaliknya.
Matematika dan Sifat Probabilistik Objek-Objek Kuantum
Banyaknya objek dan konsep fisika kuantum yang sangat sulit untuk divisualisasikan maka matematika dan teorema probabilistik sangat berperan dalam mengkaji fenomena-fenomena tersebut. Persamaan dan Pemodelan matematis sangat bermanfaat untuk menggambar dan memprediksikan objek-objek dalam fisika Kuantum. Hal ini karena visaulisasi dari objek kuantum sulit untuk diimajanasikan.
Mungkin saja kita bisa dengan mudah membayangkan ruang 3 dimensi dimana setiap sumbu xyz atau koordinat bola dengan sumbu r, θ dan φ namun bagaimana menvisualisasikan fenomena singularitas ruang dan waktu atau sifat dari diskrit dari cahaya.
Pemodelan matematika juga di butuhkan dalam menjelaskan sifat probabilistik dari fenomena kuantum seperti posisi elektron yang tidak bisa di tentukan secara pasti. Pemodalan ini membantu kita menggambarkan kebolehjadian elektron berada dalam satu orbital.
Karena sifat probalitias ini, objek-objek kuantum lebih sering digambarkan dalam “fungsi gelombang” yang diperkenalkan melalui persamaan Schrödinger. Sebagai catatan, kita bsia dengan mudah mencirikan gelombang air melalui dia titik dari ketinggian rupa gelombang air dan gelombang suara dari tekanan dan regangan pada molekul udara di sekitar sumber suara, namun objek kuantum tidak demikian.
Fungsi Gelombang tidak menunjukkan properti fisik dari objek sebagaimana dua gelombang di atas. Solusi dari fungsi gelombang memberikan kebolehjadian seorang pengamat menemukan objek pada suatu lokasi tertentu. Hal ini juga membuat objek kuantum boleh jadi ditemukan sekaligus di banyak tempat melalui prinsip superposisi.
